第三章 X线的产生

1、本质本质 第三章第三章 X 射线的产生射线的产生高频电磁波高频电磁波（10161020Hz）波动性波动性（，f，T）干涉、衍射、干涉、衍射、偏振偏振粒子性粒子性（m，p，E）光子、光电效应、光子、光电效应、荧光、电离作用荧光、电离作用波粒二象性波粒二象性hfE hp 特性特性物理物理特性特性化学化学特性特性生物生物特性特性1、在均匀、各向的介质中直线传播2、不带电3、穿透本领强4、荧光作用5、电离作用6、热作用1、感光作用2、着色作用可使细胞产生抑制、损伤、坏死。生物作用生物作用-X-X射线射线物理特性物理特性穿透作用是穿透作用是X线透视、摄影基础线透视、摄影基础X X线具有强穿透性作用，其穿

2、透能力和光子能线具有强穿透性作用，其穿透能力和光子能量有关，还和物质结构性质有关。量有关，还和物质结构性质有关。Z Z吸收吸收穿透穿透穿透作用同时也是选择穿透作用同时也是选择X线线防护材料基础防护材料基础生物作用生物作用-X-X射线射线物理特性物理特性电离作用是电离作用是X线损伤、治疗基础线损伤、治疗基础X X线能导致物质原子或分子电离线能导致物质原子或分子电离X X线线气体气体电荷电荷电离电离产生产生测量测量剂量计剂量计电离作用也是测量电离作用也是测量X线量基础线量基础生物作用生物作用-X-X射线射线物理特性物理特性荧光作用荧光屏、增感屏基础荧光作用荧光屏、增感屏基础X X线能导致物质原子激

3、发，在原子跃回基态时线能导致物质原子激发，在原子跃回基态时候发出可见荧光。候发出可见荧光。光致发光！光致发光！生物作用生物作用-X-X射线射线光化学作用光化学作用光化学作用用于摄影检查光化学作用用于摄影检查生物效应生物效应生物效应放射治疗基础，同时也是放生物效应放射治疗基础，同时也是放射人员防护原因。射人员防护原因。能使胶片感光！能使胶片感光！能使生物细胞产生生理和病理变化！能使生物细胞产生生理和病理变化！生物作用生物作用一、一、X X线产生的条件线产生的条件高速电子流高速电子流阳极靶阳极靶高压电场高压电场真空真空 X 射线的产生射线的产生(1). (1). X-X-射线管射线管(2). (2

4、). 低压源低压源 (510v)(510v)(3). (3). 高压高压源源 (10(104 410105 5v )v ) 二二. . 装置装置 X 射线的产生射线的产生核心部分核心部分l X射线的产生装置：uX X射线管射线管u低压电源低压电源E1E1u高压电源高压电源E2E2X X射线产生射线产生X射线机的示意图射线机的示意图X射射线线管管毫毫安安计计E2高高压压电电源源E1低压电源低压电源AKl X X射线是在高度真空的射线是在高度真空的X X射射线管中产生的，是高速电子线管中产生的，是高速电子与阳极靶面相互作用的结果与阳极靶面相互作用的结果 球管球管阳极阻止高速电子流阳极阻止高速电子流

5、阴极产生电子阴极产生电子旋转阳极旋转阳极固定阳极固定阳极钨丝钨丝球管球管阳极固定球管阳极固定球管阳极固定球管阳极固定球管 由由阳极阳极、阴极阴极和和玻璃壳玻璃壳组成。组成。（一）阳极（一）阳极：由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱组成。由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱组成。作用作用：产生：产生X X线、散热、吸收二次电子和散线、散热、吸收二次电子和散射线。射线。（二）（二）阴极阴极：由灯丝和集射罩组成。由灯丝和集射罩组成。作用作用：发射电子和对电子聚焦。：发射电子和对电子聚焦。（三）（三）玻璃壳玻璃壳：作用作用：支撑阴阳两级和保持管内真空度。：支撑阴阳两级和保持管内真空度。低压电源和高压电源低压电源和高压

6、电源低压电源低压电源：主要供给钨丝，产生电子流：主要供给钨丝，产生电子流高压电流高压电流：主要在阴阳两极间产生高压，加：主要在阴阳两极间产生高压，加速电子流速电子流三、三、X线的产生机制线的产生机制X线谱由两部分组成线谱由两部分组成1、连续连续X线谱线谱2、特征特征X线谱线谱 X 射线的产生射线的产生1、连续连续X射线的产生原理射线的产生原理 韧致辐射韧致辐射 高速电子进入到原高速电子进入到原子核附近的强电场区域（路程子核附近的强电场区域（路程伴随库仑力的变化过程），电伴随库仑力的变化过程），电子的速度大小和方向必然变化，子的速度大小和方向必然变化，以电磁波的形式向外辐射能量，以电磁波的形式向

7、外辐射能量，即损失的能量即损失的能量直接转化直接转化成成X线。线。由于电子与靶原子核的相对位由于电子与靶原子核的相对位置是任意的，电子进入靶的初置是任意的，电子进入靶的初动能经过多少次碰撞辐射而完动能经过多少次碰撞辐射而完全丧失也不确定，故辐射出的全丧失也不确定，故辐射出的X线波长连续分布。线波长连续分布。连续连续X线谱线谱221mveU Maxhf heUfMax minmax fc UeUhc19834min106 . 11031063. 6 nm)(24. 1minkVU1、连续连续X射线的产生原理射线的产生原理X线的最短波长线的最短波长minminminmin1、连续连续X射线的产生原

8、理射线的产生原理影响因素影响因素a、与靶原子序数成正比与靶原子序数成正比b、与管电流大小与管电流大小成成正比正比c、与管电压与管电压2 2次方次方成成正比正比2KiZUI 1、连续连续X射线的产生原理射线的产生原理例例1 :求管电压为求管电压为100KV时时X线的最短线的最短波长和最大光子能量波长和最大光子能量。 解解nm0124. 01001.24)(24. 1minkVU92834101024110310636 .min hchfEMaxeV10J.5 1410612、特征特征X射线的产生原理射线的产生原理nuclearkLMExciting inter electronHigh spee

9、d electron2、特征特征X射线的产生原理射线的产生原理（1 1）特征特征X线的产生过程线的产生过程高速电子进入靶物质后，其动能被靶高速电子进入靶物质后，其动能被靶原子内壳层电子获得，一部分用来脱原子内壳层电子获得，一部分用来脱离原子核束缚作功（逸出功）；另一离原子核束缚作功（逸出功）；另一部分变成逸出后电子的动能。部分变成逸出后电子的动能。当电子逸出后，原子当电子逸出后，原子内壳层就出现了空位，内壳层就出现了空位，外壳层电子将向内壳外壳层电子将向内壳层填充，辐射的电磁层填充，辐射的电磁波波（ X线）线）由两能级由两能级差确定差确定E2- E1= hf212、特征特征X射线的产生原理射线

10、的产生原理（2）特征的激发电压特征的激发电压 靶原子的轨道电子在原子中有确定的结靶原子的轨道电子在原子中有确定的结合能合能W。当炸弹电子的动能大于内层电子结当炸弹电子的动能大于内层电子结合能时，才可能使电子逸出造成空位，产生合能时，才可能使电子逸出造成空位，产生X射线。射线。炸弹电子的动能大小完全由管电压确定炸弹电子的动能大小完全由管电压确定WeU U = W/e 为最低激发电压。为最低激发电压。Uk UL UM UN X光子辐射以光子辐射以K系为主。系为主。2、特征特征X射线的产生原理射线的产生原理（3）影响特征影响特征X射线的因素射线的因素i为管电流；为管电流；U为管电压；为管电压；Uk为

11、为K系激发电压；系激发电压；K2和和n均为常数，均为常数， n约等于约等于1.5 1.7nKKUUiKI)(2 需要指出需要指出:特征特征X线只占很少一部分线只占很少一部分 医用医用X线主要使用连续辐射部分线主要使用连续辐射部分 物质结构的光谱分析用特征辐射物质结构的光谱分析用特征辐射特征谱线位置特征谱线位置(频率大小频率大小)只与物质结构有关。只与物质结构有关。特征谱线的强度特征谱线的强度（K系系）四四、 X 射线的量与质射线的量与质X线量和质的定义线量和质的定义 X X射线的强度射线的强度 单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的的X X射线能量，叫作

12、射线能量，叫作X X线的强度。线的强度。使使X X射线强度增加的方法：射线强度增加的方法：1 1）增加管电流：使单位时间内轰击阳靶的高）增加管电流：使单位时间内轰击阳靶的高速电子数目增多速电子数目增多2 2）增加管电压：使每个光子的能量增大）增加管电压：使每个光子的能量增大X X线量线量X X线的量：线的量： 指指X X射线束的光子数。通常以射线束的光子数。通常以X X线管的管线管的管电流与电流与X X线照射时间乘积，即毫安秒来表示线照射时间乘积，即毫安秒来表示X X线的量。线的量。X X线质（硬度）线质（硬度）lX X射线的射线的质（硬度）质（硬度）是指它的是指它的贯穿本领，决贯穿本领，决定

13、于波长定于波长。波长愈短的。波长愈短的X X射线，光子的能量射线，光子的能量愈大，贯穿本领愈强，它的硬度就愈大，愈大，贯穿本领愈强，它的硬度就愈大，常用于深部治疗。常用于深部治疗。lX X射线的硬度由管电压控制，管电压愈高，射线的硬度由管电压控制，管电压愈高，轰击阳极的电子动能就愈大，发射光子的轰击阳极的电子动能就愈大，发射光子的能量也愈大，能量也愈大，X X射线愈硬。因此，在医学上射线愈硬。因此，在医学上通常用通常用管电压来衡量管电压来衡量X X射线的硬度。射线的硬度。名名 称称管电压管电压(kV)最短波长最短波长(nm)主要用途主要用途极软极软X射线射线软软X射线射线硬硬X射线射线极硬极硬

14、X射线射线52020100250以上以上0.250.0620.0620.0120.005以下以下软组织摄影，表皮治疗软组织摄影，表皮治疗透视和摄影透视和摄影较深组织治疗较深组织治疗深部组织治疗深部组织治疗1002500.0120.005四四、 X 射线的量与质射线的量与质 1、影响、影响X线线 量的因素量的因素I U2iZt（1）靶原子靶原子 Z（2）管电流管电流（3）管电压管电压（4）投照时间投照时间2、影响、影响X线质的因素线质的因素影响影响X光子频率的因素光子频率的因素取决于管电压的大小取决于管电压的大小种类种类管电压管电压(kV) 最短波长最短波长() 最大频率最大频率(MHz)应用应

15、用极软线极软线软线软线硬线硬线极硬线极硬线5 2020 100100250250以上以上2.5 0.620.62 0.120.12 0.05小于小于0.05(1.2 4.8) 1012(4.8 25) 1012(25 60) 1012 大于大于60 1012软组织摄影及软组织摄影及表皮治疗表皮治疗透视与照相透视与照相深部组织治疗深部组织治疗四四、 X 射线的量与质射线的量与质五、五、X线的产生效率线的产生效率 在在X线管中产生线管中产生X线能量与加速电子线能量与加速电子所消耗电能的比值叫所消耗电能的比值叫X线的产生效率线的产生效率 用连续用连续X线的总线的总强度表示强度表示X线的辐线的辐射功率

16、射功率( (极少的特极少的特征征X X线可忽略线可忽略) ) 加速电压产生的加速电压产生的总功率总功率 ( (大部分转大部分转换成热能换成热能) ) 为管电为管电流与管电压的乘积流与管电压的乘积2KiZUI 199104 . 1101 . 1VKiUKZUiUKiZU 2 X线管产生线管产生X线的线的效率一般不足效率一般不足1%,绝大部分生成热而绝大部分生成热而使靶面大幅升温。使靶面大幅升温。例例2：求钨：求钨(Z=74)靶靶 在管电压为在管电压为100kV 时时X线的产生效率。线的产生效率。加速电压加速电压X线能线能(%)热能热能(%)40kV70kV100kV150kV4MV20MV0.40.60.81.3367099.699.499.298.76430钨靶在不同电压值的效率钨靶在不同电压值的效率解：解：%9 . 01074102 . 159 KZU X线的产生效率线的产生效率六六、 X 射线强度的空间分布射线强度的空间分布薄靶薄靶六六、 X 射线强度的空间分布射线强度的空间分布厚靶厚靶足跟效应：沿垂向散射的足跟效应：沿垂向散射的 X线束，靠近靶一侧的光线束，靠